DE3833326A1 - Nockenwelle und verfahren zu deren herstellung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Nockenwellen für Verbrennungskraftmaschinen
u.dgl. Insbesondere betrifft die Erfindung Nockenwellen und Verfahren
zur Herstellung von Nockenwellen, bei denen einzeln hergestellte Nocken
und Lagerelemente an einem hohlen Rohr dadurch befestigt werden, daß das
Rohr durch einen verlorenen Kern nach außen verformt wird, der gesichert
in seiner Stellung belassen wird, um eine Dichtung in dem Rohr zu bilden.
Aufgrund der gestiegenen Anforderungen bezüglich hoher Leistungsfähigkeit,
geringen Unterhaltungsaufwands und besserer Kraftstoffausnutzung ist es
erwünscht, Nockenwellen für Kraftfahrzeuge leichter und dauerhafter zu
machen. Es sind Nockenwellen entwickelt worden, die getrennt hergestellte
Nockenelemente für eine bessere Verschleißwiderstandsfähigkeit sowie ein
Stahlrohr zur Gewichtseinsparung aufweisen.
Diese Arten von Nockenwellen werden dadurch hergestellt, daß die einzelnen
Komponenten, wie Nocken und Lagerelemente, auf einem getrennten, hohlen
Rohr zusammengefügt werden, worauf die zusammengefügten Elemente miteinander
verbunden werden. Jedoch weisen diese zusammengefügten Nockenwellen und
deren Herstellungsverfahren viele Nachteile auf, die zeitaufwendige Arbeits
schritte beim Zusammenfügen, hohe Anforderungen an die zum Zusammenfügen
aufzuwendenden Kräfte und schließlich übermäßige Genauigkeit in den Toleran
zen erfordern. All dieses hat eine kostspielige Herstellung zur Folge.
US-PS 45 97 367 offenbart eine zusammengefügte Nockenwelle die aus einem
expandierbaren Stahlrohr und getrennt gehärteten Nocken und Lagerelementen
gebildet ist. Die Elemente werden durch mechanische Expansion des Rohres
miteinander verbunden. Ein runder Formkern wird durch das Rohr gedrückt
oder gestoßen, um die Rohrwand nach außen aufzuweiten, um einen dichten
Eingriffssitz mit sechseckigen Öffnungen in den Nocken und Lagerelementen
zu schaffen. Die in dieser Druckschrift offenbarte Herstellungsweise erfor
dert einen hohen Kraftbedarf, da sowohl der innere Durchmesser als auch
der äußere Durchmesser des Rohres vollständig aufgeweitet wird. Zusätzlich
muß der Formkern, nachdem er durch das Rohr hindurchgedrückt worden ist,
langsam durch das Rohr hindurch zurückgezogen werden, um den Metall-Zu-Metall-
Kontakt auf ein Minimum zu bringen. Somit erfordert dieses Herstellungsver
fahren einen hohen Kraft- und Zeitaufwand.
Wenn es erwünscht ist, das hohle, die Nockenwelle bildende Rohr abzudichten
oder zuzustopfen, sind ferner getrennte Herstellungs- und Zusammenbau-
Schritte erforderlich. Gas Verschließglied muß mit engen Toleranzen herge
stellt werden, so daß es sicher in das hohle, verformte Nockenwellenrohr
hineinpaßt und dieses abdichtet. Sonst müßte eine getrennte Abdichtopera
tion, beispielsweise ein Löten, durchgeführt werden. Somit erfordert eine
Nockenwelle mit einem zugestopften Rohr zusätzliche Herstellungsschritte
und teure Toleranzüberwachung.
Durch die Erfindung wird eine neue Anordnung einer abgedichteten Nocken
welle geschaffen, die aus getrennt hergestellten Elementen zusammengefügt
ist, sowie ein neues Verfahren zur Herstellung dieser Anordnung. Die Erfin
dung liefert somit eine verbesserte, abgedichtete Nockenwellenkonstruktion.
Zusätzlich vereinfacht oder eliminiert das neue Verfahren zur Herstellung
der Nockenwelle Verfahrensschritte, die bei bisher bekannten Verfahren
notwendig waren.
Die Erfindung ist in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Demgemäß wird durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen, mit dem einzelne
Nockenelemente und Lagerelemente auf einem Rohr dadurch verriegelt werden,
daß das Rohr örtlich verformt wird.
Bei der Erfindung wird ein Formstopfen nach Art eines verlorenen Kerns
verwendet, der dazu benutzt werden kann, das Rohr derart zu verformen,
daß die einzelnen Elemente auf dem Rohr verriegelt werden, wobei der Form
stopfen dann in dem Rohr als Abdichtungsstopfen verbleibt.
Durch die Erfindung wird somit eine Nockenwelle mit hoher Leistungsfähig
keit und geringen Kosten geschaffen sowie ein Herstellungsverfahren, das
allgemein verfügbare Materialien verwendet und das leicht durchgeführt
werden kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der fol
genden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der
Zeichnung.
Fig. 1 ist eine schaubildliche Ansicht eines Teils einer Nockenwelle;
Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines Teils der Nockenwelle;
Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Teils der Nockenwelle längs der Linie 3-3
von Fig. 2;
Fig. 4 ist eine Vorderansicht des Formstopfens;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht des Formstopfens.
Die gemäß der Erfindung hergestellte Nockenwelle 10 weist ein hohles Stütz
rohr oder eine hohle Stützwelle 12 auf, das bzw. die vorzugsweise aus nor
malem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist, der örtlich
in einer im folgenden zu beschreibenden Weise aufgeweitet wurde. Fest auf
dem Rohr 12 angeordnet ist eine Vielzahl von Nockenelementen 14 und Lager
elementen 16. Diese Elemente sind in Längsrichtung längs der Welle 12 mit
Abständen angeordnet. Die Nockenelemente 14 sind winkelmäßig in einer vor
bestimmten Phasenbeziehung versetzt zueinander angeordnet, um die Ventile
einer Verbrennungskraftmaschine zu betätigen. Die Nockenelemente 14 und
die Lagerelemente 16 sind getrennt hergestellt, um die bestmöglichen Eigen
schaften hinsichtlich Verschleißwiderstandsfähigkeit aufzuweisen.
Sie können durch maschinelle Bearbeitung (spangebend oder spanlos) oder
durch Pulvermetalltechniken beispielsweise hergestellt werden.
Die Anordnung liefert eine Nockenwelle mit geringem Gewicht und hoher Stärke
aufgrund der hohlen, rohrförmigen Abstützung und aufgrund der getrennt
hergestellten Elemente hoher Stärke.
Die Nockenwelle 10 wird gemäß den folgenden Verfahrensschritten hergestellt:
Die Elemente der Nockenwelle 10, die eine hohe Verschleißfestigkeit haben
sollen, wie beispielsweise die Nockenelemente 14 und die Lagerelemente 16,
werden mit relativ engen Endtoleranzen durch individuelle Verfahren herge
stellt. Ein geringer Betrag von überschüssigem Material wird für ein späteres
Schleifen nach dem Zusammenbau stehengelassen. Wie Fig. 3 zeigt, ist jedes
Element 14, 16 mit einer axialen Öffnung 18 versehen, die vorzugsweise
eine allgemein ausgebogte oder gezahnte Kreisform hat. Eine Anzahl von
mit gleichen Abständen angeordneten, sich axial erstreckenden Nuten 19
bildet einen ausgebogten oder gezahnten Rand um die allgemein kreisförmige
Öffnung 18 herum. Es kann jede beliebige Zahl von Nuten 19 verwendet werden,
beispielsweise etwa vier bis zwölf Nuten 19. In der Zeichnung ist eine
Öffnung 18 mit acht Nuten 19 dargestellt.
Das zentrale Rohr 12 oder die Welle 12 ist aus einem Stahlrohr mit niedrigem
Kohlenstoffgehalt mit den geeigneten äußeren und inneren Durchmessern herge
stellt. Das Rohr 12 wird auf die gewünschte Länge der Nockenwelle abgeschnit
ten. Der äußere Durchmesser des Rohres 12 ist vorzugsweise derart, daß
er dicht, aber leicht in die vorgeformten Öffnungen 18 in den Elementen
14 und 16 hineinpaßt. Der innere Durchmesser des Rohres 12 ist so gewählt,
daß er eine ausreichende Wandstärke für die Herstellung bietet, wobei gleich
zeitig die Verformung durch mechanische Aufweitung in einer im folgenden
zu beschreibenden Weise begrenzt ist.
Die einzelnen Nockenelemente 14 und Lagerelemente 16 werden in ein Werkzeug
eingesetzt, das sie in einer gewünschten Orientierung positioniert. Die
Öffnungen 18 werden dabei für das Einsetzen des Rohres 12 in axialer Richtung
ausgerichtet. Dann wird das Rohr 12 durch die ausgerichteten Elemente 14, 16
in eine vorbestimmte Längsstellung eingesetzt.
Ein Formstopfen 20, der einen verlorenen Kern bildet, wird als Verformungs
werkzeug oder Aufweitwerkzeug für die mechanische Verformung des Rohres 12
verwendet. Fig. 4 und 5 zeigen den Formstopfen 20. Der Formstopfen 20 hat
eine im allgemeinen kreisförmige Gestalt. Der äußere Umfang trägt eine
Anzahl gleichmäßig beabstandeter Vorsprünge 22. Die Vorsprünge 22 passen
zu der Form der Nuten 19 in den axialen Öffnungen 18 der Elemente 14, 16.
Der durchschnittliche oder wirksame Durchmesser des Stopfens 20 ist gering
fügig größer als der ursprüngliche Innendurchmesser des Rohres 12. Die
vorausgehende Kante des zylindrischen Stopfens 20 hat eine leichte Abschrä
gung oder Verjüngung 24, die so berechnet ist, daß sich ein leichter Preßsitz
oder Dehnsitz mit dem Innendurchmesser des zu bearbeitenden Rohres 12 ergibt.
Die Vorsprünge 22 verformen ihrerseits den Innendurchmesser des Rohres 12
in dem Maß, daß örtliche Aufweitungen oder Vorsprünge 30 an der Außenseite
des Rohres 12 gebildet werden. Wegen ihrer Anordnung in einem Werkzeug
sind die entsprechenden Nuten 19 in den axialen Öffnungen 18 der Nocken
elemente 14 und der Lagerelemente 16 mit diesen Ausweitungen oder Vorsprüngen
30 ausgerichtet. Diese örtlichen Aufweitungen füllen die Nuten 19 aus und
treten vor und hinter den Nocken- und Lagerelementen 14, 16 als überschüssi
ges Material nach außen. Die örtliche Verformung des Metallrohres 12 bewirkt,
daß die Nocken- und Lagerelemente 14, 16 axial und radial an dem hohlen
Rohr 12 verriegelt werden.
Wenn der den verlorenen Kern bildende Formstopfen 20 durch das hohle Rohr
12 bis in eine vorbestimmte axiale Stellung jenseits aller an der Welle 12
zu befestigenden Elemente 14, 16 vorgeschoben worden ist, wird der verlorene
Kern 20 von dem Vorschubwerkzeug freigegeben. Das Vorschubwerkzeug kann
nun leicht und schnell aus dem Rohr 12 zurückgezogen werden, und zwar mit
geringem Kontakt zwischen Metall und Metall. Der Kern 20 bleibt als Stopfen
oder Abdichtung in dem Rohr 12. Es sind keine zusätzlichen Herstellungs-
oder Zusammenbauschritte erforderlich, um dieses Ende des Rohres 12 abzu
dichten. Hierdurch werden die zum Abdichten des Rohres 12 notwendigen
Arbeitsschritte um die Hälfte vermindert.
Die zusammengefügte, noch nicht fertige Nockenwelle 10 kann nun aus dem
Werkzeug entnommen werden, und die Verschleißflächen der Nocken 14 und
der Lagerelemente 16 werden in irgendeiner herkömmlichen Weise auf die
Endabmessungen geschliffen.
Die Ausbildung der Nockenwelle 10 und das Herstellungsverfahren bieten
die Vorteile geringen Gewichts in Verbindung mit einer relativ einfachen
und kostengünstigen Herstellung. Zusätzlich sind für die Ausbildung der
zugestopften Nockenwelle 10 weniger Herstellungsschritte erforderlich,
und die Werkzeugtoleranzen für eine Abdichtung sind erleichtert, da der
Formkern 20 auch gleichzeitig eine Dichtung darstellt und als Dichtungs
stopfen verwendet wird.
Claims (3)
1. Nockenwelle, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Nockenelementen (14)
und Lagerelementen (16), die jeweils eine axiale Öffnung (18) aufweisen,
die eine allgemein kreisförmige Gestalt mit sich axial erstreckenden
Nuten (19) hat; ein hohles Rohr (12), das sich axial durch die Öffnun
gen (18) hindurch erstreckt und in einem gegenseitigen Überlagerungs
eingriff mit den Elementen (14, 16) steht; axiale Vorsprünge (30), die
auf der äußeren Wand des Rohres (12) gebildet sind und in Überlagerungs
eingriff mit den Nuten (19) der Öffnungen (18) stehen; sowie ein Stopfen
(20), der eine Gestalt hat, die zu der Gestalt der Öffnungen (18) in
den Elementen (14, 16) komplementär ist, und der in Überlagerungseingriff
mit dem Innendurchmesser des Rohres (12) steht.
2. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
- - Bereitstellung einer Vielzahl von Nockenelementen (14) und Lagerelementen (16) die jeweils eine axiale Öffnung (18) aufweisen, die eine allgemein kreisförmige Gestalt mit sich axial erstreckenden Nuten (19) hat,
- - Anordnung dieser Elemente (14, 16) in einer vorbestimmten Winkel- und Axialstellung auf einer gemeinsamen Achse, wobei die Öffnungen (18) miteinander ausgerichtet werden,
- - Einsetzen eines hohlen Rohres (12) in die Elemente (14, 16) in eng passender Beziehung zu den Öffnungen (18),
- - Bereitstellung eines Formstopfens (20), der eine Gestalt komplementär zu der Gestalt der Öffnungen (18) und einen allgemeinen Durchmesser hat, der größer ist als der Innendurchmesser des Rohres (12),
- - Durchdrücken des Formstopfens (20) durch das Rohr (12) bis in eine vorbestimmte Stellung, um die Wand des Rohres (12) nach außen zu verformen,
- - Aufweiten des hohlen Rohres (12) in mechanischen Überlagerungseingriff mit allen Öffnungen (18) der Elemente (14, 16), um so die Elemente (14, 16) dauerhaft auf dem Rohr (12) in der vorbestimmten Orientierung zu sichern,
- - und Verstopfen bzw. Abdichten des hohlen Rohres (12) dadurch, daß der Formstopfen (20) in dichtem, mechanischem Überlagerungseingriff mit dem Innendurchmesser des Rohres (12) an der vorbestimmten Stellung belassen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrücken
des Formstopfens (20) durch ein Werkzeugglied einer Maschine verursacht
wird, das leicht zurückgezogen werden kann, nachdem der Formstopfen
(20) die vorbestimmte Stellung erreicht hat.
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